CN103117932A - 一种自适应路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应路由方法，具体包括如下步骤：各节点根据本身能量供给情况设置一个服务容限；由基站节点发起组网，组网过程中父节点根据自身的负载情况控制子节点的接入；组网完成后各子节点将感知的业务数据通过父节点逐层转发给基站节点。本发明的方法通过将网络拓扑组织为一棵优化的平衡多叉树并维护其稳定，实现了节点间负载的均衡，平衡了整个网络的能量消耗，延长了网络生命周期，并使得网络在拓扑结构上更具鲁棒性，并且完全适用于节点大范围高密度部署的无线传感器网络场景。

Description

一种自适应路由方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络和物联网技术领域，具体涉及一种自适应优化的层次路由方法。

背景技术

无线传感器网络中节点的电能通常是有限的、不可更换的。因此如何在尽可能节约能源前提下，延长网络的生存时间和增强网络的稳定性，是无线传感器网络路由协议设计的重要目标。目前按照无线传感器网络的拓扑结构，可将路由协议分为平面路由协议和层次路由协议两大类。

在环境监测、智能电网等无线传感器网络应用系统中，基站节点相比普通传感器节点通常具有额外能量供给，而且整个网络中业务数据流具有明显的方向性。因此相比平面路由协议，层次路由协议更加适用于此类应用场景。但现有LEACH、PEGASIS、HAR等层次路由协议仍存在一些缺点，导致实际节能效果和部署可行性并不高，如：负载均衡机制上设计不够完善，某些情况下仍会出现部分节点能量消耗过快的现象；协议可扩展性差，难以满足节点大范围高密度部署的网络场景；组网机制上不够灵活，难以适应网络拓扑的动态变化等。

发明内容

鉴于现有技术存在的上述问题，本发明提出一种自适应路由方法，用于延长无线传感器网络的生命周期，并使网络更具鲁棒性。

本发明的技术方案为：一种自适应路由方法，具体包括如下步骤：

S1.各节点根据本身能量供给情况设置一个服务容限；

S2.由基站节点发起组网，组网过程中父节点根据自身的负载情况控制子节点的接入；

S3.组网完成后各子节点将感知的业务数据通过父节点逐层转发给基站节点。

进一步的，上述方法还包括步骤：

S4.每隔一定周期，各节点广播通告自身的层次及负载信息；

S5.子节点根据父节点和其它备选父节点的层次及负载情况，选择新的父节点。

作为一种优选方案，父节点根据自身的负载情况控制子节点的接入的具体过程为：当父节点的自身的负载不超过服务容限时，父节点以概率1回应请求，当父节点的自身的负载超过服务容限时，父节点以一定概率回应请求。

进一步的，所述的一定概率的具体计算公式为：

其中，l为父节点的自身的负载数量，L_threshold为父节点的服务容限，α为预先设定的第一阈值。

作为一种优选方案，步骤S5所述的选择新的父节点的具体过程如下：

所述子节点收到邻居节点通告，若存在层次号小于当前父节点的备选父节点，则从中选择层次号最小且负载系数最低的备选父节点为新的父节点；若当前父节点层次号为最小，且最小层次上有其余备选父节点负载系数低于当前父节点，则以一概率选择其中负载最低的备选父节点为新父节点；其余情形维持当前父子关系不变。

进一步的，所述的一定概率的具体计算公式为：

$p_{\mathrm{repick}}=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&theta;}<R_{\mathrm{threshold}}\\ 1-{\mathrm{\&beta;}}^{-\mathrm{\&theta;}}& \mathrm{\&theta;}\&GreaterEqual;R_{\mathrm{threshold}}\end{array}\right.,$ 其中， $\mathrm{\&theta;}=\frac{r_{\mathrm{father}}}{r_{\mathrm{candidate}}},$ r_candidate为备选父节点的负载系数，r_father为当前父节点的负载系数，β为预先设定的第二阈值；R_threshold为预先设定的第三阈值。

本发明的有益效果：本发明的方法通过将网络拓扑组织为一棵优化的平衡多叉树并维护其稳定，实现了节点间负载的均衡，平衡了整个网络的能量消耗，延长了网络生命周期，并使得网络在拓扑结构上更具鲁棒性，并且完全适用于节点大范围高密度部署的无线传感器网络场景。

附图说明

图1是本发明的自适应路由方法流程示意图。

图2是无线传感器网络结构及数据传输示意图。

图3是同层节点间利用本发明的方法实现负载均衡的示意图。

图4是跨层节点间利用本发明的方法实现负载均衡的示意图。

图5是SI报文的格式示意图。

图6是SA报文的格式示意图。

图7是AA报文的格式示意图。

图8是CPT表的格式示意图。

图9是CT表的格式示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参考附图并结合实例来详细说明本发明。

针对背景技术中提到的问题，考虑到实际无线传感器网络应用系统所具有的特点和现有层次路由协议所存在的缺陷，在此提出一种自适应均衡的层次路由方法。

本发明的方法主要包括基于服务容限的子节点接入控制机制和基于负载系数的重新选择父节点机制。

基于服务容限的子节点接入控制机制，具体为：根据节点能量供给情况为节点设置服务容限；父节点根据当前负载情况对子节点的接入请求进行回应；当负载不超过服务容限时，父节点以概率1回应请求，当负载超过服务容限时，父节点回应请求的概率随负载增加而降低。

这里的服务容限是各节点可接入子节点数量的一个阈值，该值反应了各节点提供接入服务的能力，主要取决各节点能量供给情况，可由用户根据实际情况自行设定，如太阳电池供电条件下，光照条件较好的节点，可设定一个较大的值。

基于负载系数的父节点重新选择机制，具体为：将节点实际负载与负载容限的比值定义为节点的负载系数，负载系数反映节点当前负载程度；相同层次下，子节点重新选择负载系数较低的备选父节点为父节点；子节点重新选择父节点的概率随当前父节点和备选父节点之间负载系数比值的增加而增大。

下面结合附图对本发明的方法进行具体描述。

本发明方法的流程示意图如图1所示，具体包括步骤：

S1.各节点根据本身能量供给情况设置一个服务容限；

S2.由基站节点发起组网，组网过程中父节点根据自身的负载情况控制子节点的接入；

S3.组网完成后各子节点将感知的业务数据通过父节点逐层转发给基站节点。

步骤S1、S2属于网络初始化阶段。网络初始化阶段，首先由基站节点以广播形式发送服务信息（Service Information，SI)报文。SI报文中含有节点的节点号、层次号、负载数量、服务容限等状态信息，各节点根据SI报文中的信息选择父节点并加入层次。加入层次的节点继续发送SI报文，为其它节点提供接入服务，直至全网层次结构形成。各节点在提供接入服务时，遵循上述基于服务容限的子节点接入控制机制。

步骤S3是业务数据传输阶段，已加入层次结构的节点，即可以进入业务数据传输阶段，在此阶段各节点以当前父节点为下一跳路由，通过多跳中继的形式将业务数据发送给基站节点。

基于服务容限的子节点接入控制机制，具体表现在父节点根据自身的负载情况控制子节点的接入，具体过程为：当父节点的自身的负载不超过服务容限时，父节点以概率1回应请求，当父节点的自身的负载超过服务容限时，父节点以一定概率回应请求。

这里的一定概率的具体计算公式为：

其中，l为父节点的自身的负载数量，L_threshold为父节点的服务容限，

为下取整运算，α为预先设定的第一阈值。本实施例中α=2。

在这里的概率计算公式中，当实际负载l不超过设定的服务容限L_threshold时，父节点以概率1回应子节点的接入请求，可以迅速为子节点提供服务；当实际负载l超过设定的服务容限L_threshold时，父节点回应子节点接入请求的概率随着负载的增加是呈指数降低的，可以保证节点不会短时间内接入过多节点而导致能量消耗过快，同时又预留一定的可能性，使得没有其它备选父节点可以选择的子节点通过多次尝试请求，仍可以接入，避免了孤立节点的产生。

作为一种优选方案，上述方法还包括步骤：

S4.每隔一定周期，各节点广播通告自身的层次及负载信息。

S5.子节点根据父节点和其它备选父节点的层次及负载情况，选择新的父节点。

步骤S4、S5是周期维护优化阶段。网络每隔一定时间进入周期维护优化阶段，在此阶段各节点通过广播SI报文更新自身状态信息；已加入层次结构的节点，根据当前父节点和备选父节点的状态信息重新选择父节点。重选过程遵循上述基于负载系数的重新选择父节点机制。

基于负载系数的重新选择父节点机制，具体表现在选择新的父节点的具体过程如下：

子节点收到邻居节点通告，若存在层次号小于当前父节点的备选父节点，则从中选择层次号最小且负载系数最低的备选父节点为新的父节点；若当前父节点层次号为最小，且最小层次上有其余备选父节点负载系数低于当前父节点，则以一概率选择其中负载最低的备选父节点为新父节点；其余情形维持当前父子关系不变。

这里的一定概率的具体计算公式为：

$p_{\mathrm{repick}}=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&theta;}<R_{\mathrm{threshold}}\\ 1-{\mathrm{\&beta;}}^{-\mathrm{\&theta;}}& \mathrm{\&theta;}\&GreaterEqual;R_{\mathrm{threshold}}\end{array}\right.,$ 其中， $\mathrm{\&theta;}=\frac{r_{\mathrm{father}}}{r_{\mathrm{candidate}}},$ r_candidate为备选父节点的负载系数，r_father为当前父节点的负载系数，β为预先设定的第二阈值；R_threshold为预先设定的第三阈值，这里负载系数r定义为：

即为当前节点服务容限的倒数与当前节点负载数量（当前实际接入的子节点数量）的乘积。

在本实施例中，β=e；R_threshold=1.1，在具体使用过程中可以根据具体情况进行选择。

在此公式中，子节点重新选择父节点的概率随着当前父节点和备选父节点负载差异的增加呈指数增加，即当前父节点负载较高时而又有相对空闲的备选父节点存在时，子节点可以较为迅速做出反应，完成重新选择父节点，同时通过对R_threshold值的设定，可以控制子节点对父节点间负载差异的敏感程度，当父节点和备选父节点负载差异不大，即二者比值低于该阈值时，p_repick=0，当前节点不会发送SA报文重新选择父节点，从而可以保证路由网络具有一定的稳定性。

下面结合附图对上述过程再进行详细阐述。

图2所示为无线传感器网络结构示意图，图中，B(Base station Node)为基站节点，S(Sensor Node)为传感器节点，大量传感器节点随机部署在监测区域，各传感器节点将监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，并最终到达基站节点。

需要明确的是：这里的网络结构是一个树形结构，S节点相对于上级节点可能是父节点，相对于下级节点可能是子节点，父子节点是个相对概念。

如图3和图4所示，在上述网络场景下，本发明通过基于服务容限的接入控制机制和基于负载系数的父节点重选机制以及相关报文交互，网络节点可以自适应地在同层节点间和跨层节点间实现负载的均衡，避免了网络某个节点负载过高，从而平衡了整个网络的能耗，延长了网络生命周期，在任意节点或链路遭遇损毁时，网络的发生大规模中断的可能性也会因此而降低。

各节点启动后，将初始化自身节点号N_id、层次号N_rank、服务容限L_threshold、负载数量l等状态信息。其中，节点号N_id和服务容限L_threshold可以由用户通过配置文件或手工输入的方式进行设置；各节点初始负载数量l为0；基站节点层次号N_rank为0，其余节点层次号N_rank为某一最大值。

需要说明的是：层次号N_rank是一个整数值，用来表明当前节点在哪一个层次上，任何一个节点加入网络后，都会位于某一个层次上。一个节点的层次号表明了它和基站节点的远近关系。基站节点是层次号为0，基站节点的子节点层次号为1，基站子节点的子节点层次号为2，以此类推。

N_rank在初始化时可以根据实际需要进行设定，当网络规模较小，这个值可以设置为10000或1000，即实际网络中层次号不可能达到的一个值，只要这个值大于实际网络中节点数目即可，其目的在于设置一个异常值，当层次号为这个值时表明节点未加入层次。

图5是SI报文格式示意图，SI报文中含有源节点的自身节点号N_id、层次号N_rank、服务容限L_threshold、负载数量l等信息。整个网络由基站节点通过广播SI报文发起初始化过程。收到SI报文的各节点依据基于服务容限的子节点接入控制机制并通过后续报文交互选择父节点并加入层次结构，加入层次结构的节点继续更新和广播SI报文，直至全网层次结构形成。

图6是CPT表格式，其中，IsCurrentFather是一个布尔值，0或1，表示当前节点是否已经被选为父节点。收到SI报文的节点将SI报文源节点及相关信息记录在备选父节点表（Candidate Parent Table，CPT）中。节点所收到的SI报文的源节点为备选父节点，备选父节点记录在CPT表中。

图7是SA报文格式示意图，其中，DstN_id表示目的节点的节点号，Src N_id表示源节点的节点号。若节点尚未加入层次结构中（即N_rank为某一最大值），则从中CPT表中选择N_rank最小且负载系数r最低的备选父节点向其发送服务请求（ServiceApply，SA）报文。

图8是AA报文格式示意图，备选父节点收到SA报文后，以概率p_accept回复请求接受（Application Accept，AA）报文并进行确认。

图9是CT表格式，父节点回复SA报文后，将子节点记录到子节点表（Children Table，CT）中并将自身负载数量l加一。PacketCount字段用于记录在数据传输阶段所接收的来自该子节点网络层分组的数量。

收到AA报文的节点则视为已加入层次结构，将自身N_rank值设置为父节点N_rank加一，同时将CPT表中对应父节点的IsCurrentFather一项设置为TRUE。若节点超时未收到AA则将当前备选父节点从CPT表中删除，依同样规则另选一备选父节点发送SA报文。若节点当前CPT表为空则以一定间隔通过广播形式发送SA，直至收到AA报文为止。

节点加入层次结构后进入业务数据传输阶段，各节点即可以选中的父节点为下一跳，开始业务数据的传输及转发，全网以T_round为间隔进入周期维护优化阶段。T_round可以根据实际需要进行设置，比如1000秒，每隔这样一个时间，网络就进入周期维护优化阶段，子节点有机会重新选择父节点。

若节点进入周期维护优化阶段前，若未收到某子节点任何报文，则将该子节点从自身CT表中删除，相应地将自身负载数量l减一。

在周期维护优化阶段，各节点广播SI报文并根据邻居节点的SI报文更新自身CPT表（更新操作包括表项的添加、删除及修改）。节点完成SI报文的广播和CPT表的更新后，节点将依据基于负载系数的重新选择父节点机制重新选择父节点。

若未收到当前父节点SI报文，或存在备选父节点N_rank比当前父节点N_rank小，则重新选择父节点。若当前父节点N_rank为最小，且此N_rank上存在备选父节点负载系数r_candidte低于当前父节点负载系数r_father，节点将以概率p_repick选择负载系数最小的备选父节点发送SA报文，若备选父节点回复AA，则节点完成父节点的重新选择。其余情形，节点保持当前父子关系不变。

各节点完成周期维护优化操作后，重新进入业务数据传输阶段。

综上可以看出，本发明的方法通过将网络拓扑组织为一棵优化的平衡多叉树并维护其稳定，实现了节点间负载的均衡，平衡了整个网络的能量消耗，延长了网络生命周期，并使得网络在拓扑结构上更具鲁棒性，并且完全适用于节点大范围高密度部署的无线传感器网络场景。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种自适应路由方法，具体包括如下步骤：

S1.各节点根据本身能量供给情况设置一个服务容限；

S2.由基站节点发起组网，组网过程中父节点根据自身的负载情况控制子节点的接入；

S3.组网完成后各字节点将感知的业务数据通过父节点逐层转发给基站节点。

2.根据权利要求1所述的自适应路由方法，其特征在于，步骤S2所述的父节点根据自身的负载情况控制子节点的接入的具体过程为：当父节点的自身的负载不超过服务容限时，父节点以概率1回应请求，当父节点的自身的负载数量超过服务容限时，父节点以一定概率回应请求。

3.根据权利要求2所述的自适应路由方法，其特征在于，所述的一定概率的具体计算公式为：

其中，l为父节点的自身的负载数量，L_threshold为服务容限，α为预先设定的第一阈值。

4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的自适应路由方法，其特征在于，还包括步骤：

S4.每隔一定周期，各节点广播通告自身的层次及负载信息；

S5.子节点根据父节点和其它备选父节点的层次及负载情况，选择新的父节点。

5.根据权利要求4所述的自适应路由方法，其特征在于，步骤S5所述的选择新的父节点的具体过程如下：

所述子节点收到邻居节点通告，若存在层次号小于当前父节点的备选父节点，则从中选择层次号最小且负载系数最低的备选父节点为新的父节点；若当前父节点层次号为最小，且最小层次上有其余备选父节点负载系数低于当前父节点，则以一概率选择其中负载最低的备选父节点为新父节点；其余情形维持当前父子关系不变。

6.根据权利要求5所述的自适应路由方法，其特征在于，所述的一定概率的具体计算公式为：

$p_{\mathrm{repick}}=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&theta;}<R_{\mathrm{threshold}}\\ 1-{\mathrm{\&beta;}}^{-\mathrm{\&theta;}}& \mathrm{\&theta;}\&GreaterEqual;R_{\mathrm{threshold}}\end{array}\right.,$ 其中， $\mathrm{\&theta;}=\frac{r_{\mathrm{father}}}{r_{\mathrm{candidate}}},$ r_candidate为备选父节点的负载系数，r_father为当前父节点的负载系数，β为预先设定的第二阈值；R_threshold为预先设定的第三阈值。

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